8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 35 Maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms Dipl.-Ing. Bernd Winkels Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) Zusammenfassung Im Rahmen der Instandsetzung des karolingischen Mauerwerks des Aachener Doms vor rd.-20-Jahren wurde ein Verfugmörtel nach denkmalpflegerischen sowie baustofftechnologischen Gesichtspunkten entwickelt und seine Eignung im Labor sowie am historischen Bauwerk nachgewiesen. Der Verfugmörtel wurde auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Natursteinmauerwerks abgestimmt und erfüllt Anforderungen an die Dauerhaftigkeit hinsichtlich des Sulfat-, Frost-Tauwechselsowie Carbonatisierungswiderstands. Für aktuelle Instandsetzungsmaßnahmen am Natursteinmauerwerk der Taufkapelle sowie der gotischen Chorhalle des Aachener Doms wurde der Mörtel modifiziert und an das jeweilige Bauwerk bzw. nach individuellen Anforderungen angepasst. Ausgewählte experimentelle Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der weiterentwickelten Verfugmörtel sowie zum Verbund der Mörtel mit dem Naturstein werden vorgestellt. Beispielhaft wird auch das Vorgehen bei der Instandsetzung der Fugen am Bauwerk gezeigt. 1. Einleitung Als Pfalzkapelle Kaiser Karl des Großen entstand zwischen 793 und 813 einer der bedeutendsten Kirchenbauten seiner Zeit nördlich der Alpen: Der Aachener Dom. Abb.-1 veranschaulicht die baugeschichtliche Entwicklung des Aachener Doms. An den zentralen Kuppelbau --das Oktogon-- mit zweigeschossigem, sechzehneckigem Umgang grenzen der neugotische Westturm über dem karolingischen Westbau (Abb.-1, links) sowie die gotische Chorhalle (Abb.-1, rechts) an. Das Oktogon wird gesäumt von insgesamt fünf mit unregelmäßigen Grundrissen gestalteten Kapellenbauten, darunter die Annasowie Matthiaskapelle auf der Südseite. Abb.-1: Südansicht des Aachener Doms: (Aufnahme während der Instandsetzung des Mauerwerks der gotischen Chorhalle 2021, Pfeiler 6a bis 3a) Seit den 1980er Jahren finden umfangreiche Instandsetzungsmaßnahmen am Aachener Dom statt. Zwischen der Dombauhütte Aachen und dem Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) besteht eine gute und vertrauensvolle Kooperation. Während der vergangenen rd.- 25- Jahre wurden für verschiedene Anwendungen maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung der verschiedenen historischen Natursteinmauerwerke des Aachener Doms entwickelt. So wurde beispielsweise für den Steinaustausch des Herzogenrather Sandsteins, welcher hauptsächlich beim Bau der Chorhalle eingesetzt wurde, ein Vergussmörtel [1- 5] sowie ein Steinergänzungsmörtel [6] entwickelt. Basierend auf den Untersuchungen in [7] wurde für das karolingische Mauerwerk des Oktogons bzw. Sechzehnecks sowie des Westbaus ein Sichtmörtel entwickelt, welcher das optische Erscheinungsbild des karolingischen Mörtels aufgreift, jedoch einen eigenständigen Charakter mit warmem Farbton ausbildet, siehe [8-11], vgl. Abb.-2 und 3. Abb.-2: Oktogon bzw. Sechzehneck (Südseite): Karolingischer Mörtel (oberhalb) und neuer Sichtmörtel (unterhalb des Natursteins) 36 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms Abb.-3: Karolingisches Mauerwerk am Westbau mit neuem Sichtmörtel: Ansicht fern (oben) und nah (unten), (Instandsetzung 2003, Aufnahmen 2022) Der Sichtmörtel wurde nach denkmalpflegerischen sowie baustofftechnologischen Gesichtspunkten entwickelt und seine Eignung im Labor sowie am historischen Bauwerk nachgewiesen. Der Verfugmörtel wurde auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Natursteinmauerwerks abgestimmt und erfüllt Anforderungen an die Dauerhaftigkeit, vgl. Abschnitt 2. In modifizierter Form kam der Sichtmörtel bei der Instandsetzung der Annabzw. Matthiaskapelle zum Einsatz, vgl. [12]. Die vorgestellten Mörtel bilden die Basis für die kürzlich abgeschlossenen bzw. aktuell laufenden Instandsetzungsmaßnahmen an den Fugen der Natursteinmauerwerke der Taufkapelle bzw. der Chorhalle. 2. Anforderungen an Verfugmörtel für die Instandsetzung von historischem Natursteinmauerwerk Allgemein sind die Eigenschaften von Verfugmörteln weitestmöglich auf die Eigenschaften des historischen Natursteinmauerwerks abzustimmen. Dabei ist insbesondere auf die (mechanische) Verträglichkeit mit den im Bauwerk eingesetzten Natursteinen und Mörteln zu achten. Die Druckfestigkeit des Mörtels darf möglichst hoch sein, wenn der Mörtel gleichzeitig eine ausreichend Verformbarkeit aufweist und somit das Mauerwerk in der Lage ist, Bauwerksbewegungen unbeschadet bzw. rissfrei zu folgen. Darüber hinaus sollte zu dem angrenzenden (Alt-)Mörtel sowie zu den Steinflanken ein ausreichender Haftverbund sichergestellt sein. Neben den mechanischen Eigenschaften sollte der Mörtel ein auf den Naturstein bzw. (Alt-)Mörtel abgestimmtes Wasserrückhaltevermögen aufweisen, damit dem Mörtel während der Verarbeitung bzw. Erhärtung nicht in kritischem Maße Wasser entzogen wird. Idealerweise sollten ebenso die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Mörtels kompatibel zu dem Bestandsmauerwerk sein. Der Mörtel sollte zudem eine ausreichende Dauerhaftigkeit aufweisen. Eine ausreichende und dauerhafte Widerstandsfähigkeit gegenüber baustoffschädlichen Stoffen wie z.-B. Sulfat sind erforderlich bei erhöhten Konzentrationen solcher Stoffe im historischen Mauerwerk. Zudem sollte der Mörtel einen ausreichenden Widerstand gegenüber Frost-Tauwechselbeanspruchung aufweisen. Ein niedriges Schwindmaß in Verbindung mit einer guten Flankenhaftung sind ebenso wichtig für ein rissfreies und witterungsbeständiges Mauerwerk. Zudem sollte der Mörtel nur geringe Eigenschaftsänderungen (Festigkeit und Schwinden) infolge Carbonatisierung aufweisen. 3. Ausgangsstoffe der entwickelten Verfugmörtel Das Bindemittelsystem des 2003 entwickelten karolingischen Sichtmörtels besteht aus Weißportlandzement sowie Kompositzement mit natürlichem Puzzolan, Calciumhydroxid und Silicastaub. Als Gesteinskörnung wurden neben Quarzsand bzw. -kies insbesondere Ziegelsowie Kalksteinsplitt mit einer Korngröße bis rd. 8-mm sowie Ziegelmehl eingesetzt. Dadurch sowie durch eine nachträgliche Oberflächenbehandlung mittels Sandstrahlen zum Entfernen des Bindemittelschleiers erhielt der Sichtmörtel sein charakteristisches Erscheinungsbild, vgl. Abb.-3. Für die Instandsetzung des Natursteinmauerwerks der Taufkapelle (VFM20) bzw. der Chorhalle (VFM21 und VFM22) wurde das Bindemittelsystem beibehalten. Dagegen wurden die Gesteinskörnung, Pigmentierung sowie Oberflächengestaltung (siehe Abschnitt 5) an das jeweilige Bauwerk bzw. nach individuellen Anforderungen angepasst. Die Ziegel- und Kalksteinfraktionen wurden durch Quarzmehl, -sand und -kies mit einer maximalen Korngröße von 5,6- mm ersetzt. Dem Mörtel wurden zudem verschiedene leichte Gesteinskörnungen wie Blähglasgranulat etc. zugegeben, um ein auf das Natursteinmauerwerk abgestimmtes Trag- und Verformungsverhalten zu erreichen. Darüber hinaus wurden dem Mörtel Cellulosefasern sowie in geringem Maße (<-1,0-M.-%) Zusatzstoffe und Zusatzmittel zugesetzt, um wesentliche Frisch- und Festmörteleigenschaften wie Verarbeitbarkeit oder Verbundverhalten anwendungsbezogen einzustellen. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 37 Maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms Abb.-4: Abstimmen der Pigmente des Verfugmörtels VFM21 auf den eingesetzten Herzogenrather Sandstein Erst aufgrund des hellen Bindemittelsystems ist es möglich, das farbliche Erscheinungsbild individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustimmen. So wurden dem karolingischen Sichtmörtel Ziegelmehl für einen warmen, rötlichen Grundton beigemengt. Für die Farbgestaltung der auf den karolingischen Sichtmörtel basierenden Verfugmörtel kamen Pigmente (Eisenoxide) zum Einsatz. Im Fall der Taufkapelle wurde der Trockenmörtelmischung des Verfugmörtels lediglich Schwarzpigment zugegeben. Für die farbliche Anpassung des Verfugmörtels für die Chorhalle auf die Farbe des Herzogenrather Sandsteins - im frisch bearbeiteten Zustand - erfolgten zunächst zwei Abstufungen mit jeweils konstantem Gelbanteil sowie variierenden Schwarzanteilen, siehe Abb.- 4. Nach Auswahl einer vielversprechenden Gelb-Schwarz-Kombination (C3b) erfolgte die Zugabe von Rotpigment, wiederum in verschiedenen Intensitäten, siehe Abb.-4 und 5. Die Auswahl der gewünschten Pigmentkombination (C5k) erfolgte am historischen Mauerwerk der Chorhalle, siehe Abb.-6. Abb.-5: Pigmentierte Trockenmörtelmischung VFM21 (2021) Abb.-6: Auswahl der Farbe des Verfugmörtels VFM21 (2021) am historischen Mauerwerk 4. Eigenschaften, Eigenschaftswerte und experimentelle Untersuchungen 4.1 Materialeigenschaften Aufgrund der Druckfestigkeit können die Verfugmörtel VFM20 und VFM21 in die Festigkeitsklasse M5 nach [13] mit einer Druckfestigkeit von rd. 5-N/ mm², einer Biegezugfestigkeit von rd.-1,5-N/ mm², einer Zugfestigkeit von rd.-1,0-N/ mm² und einem statischen Elastizitätsmodul von ca. 3.500-N/ mm², jeweils im Alter von 14-Tagen, eingeordnet werden. Die korrespondierende Trockenrohdichte beträgt rd. 1,26-kg/ dm³. 38 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms Abb.-7: Verbunduntersuchungen mit Herzogenrather Sandstein: (Haft-)Zugfestigkeitswerte der Serien C6 (Riemchen), C8 (Platte) und C9 (2-Stein-Prüfkörper) 4.2 Verbunduntersuchungen mit Herzogenrather Sandstein Neben den mechanischen Eigenschaften und dem optischen Erscheinungsbild ist ein guter Verbund zu dem Naturstein wichtig für ein dauerhaft beständiges Mauerwerk. Der Verbund zwischen Herzogenrather Sandstein und dem Verfugmörtel VFM21 jeweils in Kombination mit den Haftvermittlern HV-1 und HV-2 wurde in drei Serien an Verbundprüfkörpern verschiedener Geometrien (Riemchen-, Platten- und 2-Stein-Prüfkörper) mit Variation des Haftvermittlers untersucht. In Abb.-7 sind die Ergebnisse zusammengefasst. Die Ergebnisse aller drei Serien zeigen, dass bei Verwendung des Haftvermittlers HV-2 höhere Haftzugbzw. Mörtelzugfestigkeiten gegenüber HV-1 erreicht werden. Der HV-2 beinhaltet gegenüber dem HV-1 mehr Kunststoffdispersionspulver (KDP), was die Wasserretention zu begünstigen scheint. Bei einem höheren Anteil an KDP wird mehr Wasser zurückgehalten, welches dem Mörtel nachträglich zur Hydratation zur Verfügung steht. Es kann sich eine höhere Zugfestigkeit des Mörtels bzw. ein besserer Haftverbund zum Untergrund ausbilden. Zugversuche am unbeeinflussten Mörtel, d.-h. ohne Wasserabsaugen durch den Naturstein, an brikettförmigen Prüfkörpern nach ASTM-C30718 [14] haben gezeigt, dass die Zugfestigkeit im Alter von 14-Tagen bei 1,0 N/ mm² liegt. Ein Vergleich mit Serie C9 zeigt, dass der Mörtel in Kontakt zum Sandstein den Wert von 1,0-N/ mm² nicht erreicht (0,60-N/ mm² und 0,74 N/ mm²) und somit nicht die volle Zugfestigkeit ausbildet. Durch den Naturstein wird dem Mörtel Wasser entzogen, der für die vollständige Hydratation benötigt wird. Ein Vergleich der Serien C9-1 und C9-3‘ zeigt, dass der Verbund zwischen Sandstein und Verfugmörtel durch Vornässen deutlich verbessert werden kann. Es können rd. 20-% höhere (Haft-)Zugfestigkeitswerte erreicht werden. Zudem konnte in diesem Fall lediglich Mörtelversagen beobachtet werden, während es bei der Serie ohne Vornässen (C9-3‘) überwiegend zu Adhäsionsversagen kam. Ohne Haftvermittler werden lediglich maximal halb so hohe Werte erreicht im Vergleich zu den Werten mit Haftvermittler und vorgenässten Sandsteinen. 5. Ausführungsbeispiele Die Arbeitsgänge bei der Instandsetzung schadhafter Mauerwerkfugen ist schematisch in Abb. 8 dargestellt. Zunächst werden schadhafte Fugen mit Flankenabrissen, Fehlstellen etc. (a) ausgeräumt und gereinigt (b). Anschließend wird eine Unterfuge bis rd. 2 cm von der Vorderkante des Natursteins eingebracht (c). Mithilfe eines geeigneten Pinsels wird der Haftvermittler aufgetragen (d) und die Sichtfuge frisch in frisch mit dem neuen Verfugmörtel eingebracht (e). Bei Bedarf wird der Bindemittelschleier z. B. mittels Wurzelhaarbürste (Taufkapelle) oder Sandstrahlen (Karolingischer Sichtmörtel) entfernt bzw. mit einem feuchten Schwamm (Chorhalle) abgerieben werden. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 39 Maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms Abb.-8: Schematischer Ablauf bei der Instandsetzung schadhafter Mauerwerkfugen: (a) Mauerwerk mit schadhaften Fugen (Flankenabrisse, Fehlstellen etc.), (b) ausgeräumte und gereinigte Fugen, (c) Einbringen der Unterfuge bis rd. 2-cm an die Vorderkante, (d) Auftragen des Haftvermittlers, (e) Einbringen des Verfugmörtels der Sichtfuge mit neuem Verfugmörtel und bei Bedarf Entfernen des Bindemittelschleiers z.-B. mittels Wurzelhaarbürste, Sandstrahlen etc. Die in Abb.-8 schematisch dargestellten Arbeitsschritte bei der Instandsetzung von schadhaftem Mauerwerk werden im Rahmen des Kolloquiums am Beispiel der Taufkapelle und der Chorhalle näher erläutert. In Abb.-9 sind die in diesem Beitrag beschriebenen Verfugmörtel gegenübergestellt. Abb.-9: Vergleich der verschiedenen Sichtmauermörtel: (a) Karolingischer Sichtmörtel (2003), (b) Verfugmörtel VFM20 Taufkapelle (2020) und (c) VFM21 Chorhalle Süd (2021) Neben der unterschiedlichen Farbgestaltung wird ebenso die unterschiedliche Oberflächenbehandlung durch Sandstrahlen (a), Abreiben mittels Wurzelhaarbürste (b) bzw. Abreiben mit einem feuchten Schwamm (c) deutlich. Dabei richtet sich die gewählte Oberflächenbehandlung nach dem Bauwerk und den damit verbundenen Anforderungen. Das Karolingische Mauerwerk sowie das Mauerwerk der Taufkapelle sind teilweise frei zugänglich und somit von Nahem sichtbar. Diesen Mörteln wird durch die gewählte nachträgliche Oberflächengestaltung ein individuelles Erscheinungsbild verliehen. Dagegen ist das Fugenbild beim Mauerwerk der Chorhalle durch den vergleichsweise geringen Fugenanteil sowie die eingeschränkte Zugänglichkeit von untergeordneter Rolle, weshalb auf aufwändigere Verfahren verzichtet wird. 6. Zusammenfassung und Ausblick In diesem Beitrag wurden verschiedene Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms und wesentliche Merkmale vorgestellt. Bei der Instandsetzung von historischem Mauerwerk gelten spezielle Anforderungen an (Fugen-) Mörtel und Ausführung. Dem Vornässen und der Nachbehandlung sind eine besondere Bedeutung beizumessen. Bei guter Vor- und Nachbehandlung in Verbindung mit einem Haftvermittler werden gute Verbundeigenschaften zwischen bestehendem Natursteinmauerwerk und nachträglich eingebrachtem Verfugmörtel erzielt. Neben weiteren Entwicklungen an den vorgestellten Verfugmörteln soll die Bauwerkserhaltung am Aachener Dom zukünftig digitalisiert werden. Mithilfe einer eigenen Drohne des ibacs soll u.-a. der Istzustand des Natursteinmauerwerks regelmäßig erfasst und der Zustand der Mörtelfugen und der Natursteine mithilfe eines zu entwickelnden Algorithmus kontinuierlich miteinander verglichen bzw. Veränderungen bewertet und Handlungsbedarf abgeleitet werden. 7. Danksagung Dem scheidenden Dombaumeister, Herrn Dipl.-Ing. Helmut Maintz, gilt unser Dank für die langjährige vertrauensvolle und gute Zusammenarbeit. Literatur [1] Engel,- J.: Eignungsversuche an Vergußmörtel für den Verbau von Naturstein. RWTH Aachen University, Institut für Baustoffforschung (ibac), Aachen, Studienarbeit, 1996 (unveröffentlicht) [2] Engel,- J.: Vergußmörtel für den Steinaustausch in Natursteinmauerwerk, Rezeptierung und Eignungsnachweis. RWTH Aachen University, Institut für Baustoffforschung (ibac), Aachen, Diplomarbeit, 1998 (unveröffentlicht) [3] Engel,-J.; Rößler,-G.: Entwicklung eines Fugenvergussmörtels für den Natursteinaustausch am Dom zu Aachen. In: Schriftenreihe Aachener Beiträge 40 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Maßgeschneiderte Mörtel für die Instandsetzung des Aachener Doms zur Bauforschung, Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac), 1999, Nr. 9, Bauwerkserhaltung Festschrift Sasse, S. 327-338 [4] Engel,- J.; Rößler,- G.: Entwicklung eines Mörtels zur nachträglichen Verfugung beim Natursteinaustausch am Dom zu Aachen. Freiburg: AEDI- FICATIO, 1999. - In: Werkstoffwissenschaft und Bauinstandsetzen. Berichtsband z. fünften Internationalen Kolloquium, Band II, Esslingen, Nov./ Dec. 1999, (Wittmann, F.H.; Gerdes, A. (Ed.)), S. 915-926 [5] Raupach,- M.; Rößler,- G.; Engel,- J.: Entwicklung eines Vergußmörtels für den Aachener Dom. Aachen: Institut für Bauforschung, 2001. - Forschungsbericht Nr. F 660 [6] Blume,- C.: Entwicklung eines Steinergänzungsmörtels für Nievelsteiner Sandstein - Instandsetzung des Natursteins an der Matthias- und Anna-Kapelle des Aachener Doms. RWTH Aachen University, Institut für Baustoffforschung (ibac), Aachen, Diplomarbeit, 2005 (unveröffentlicht) [7] Raupach, M; Rankers, R. Rößler, G Wolff, L.; Bruns, M.: Dom zu Aachen - Untersuchungen des karolingischen Mauerwerks, Teil 1+2. Aachen, Institut für Bauforschung, 2002; Zwischenbericht Nr. F 6040 [8] Gargoudi,- M.- E.: Überprüfung der Eignung von zwei Verfugmörteln für die Instandsetzung des karolingischen Mauerwerks des Aachener Doms, RWTH Aachen University, Institut für Baustoffforschung (ibac), Aachen Diplomarbeit, 2003 (unveröffentlicht) [9] Raupach,- M.; Rankers,- R.; Gargoudi,- M.- E.: Entwicklung eines Verfugmörtels für das karolingische Mauerwerk des Aachener Doms. Freiburg: AEDI- FICATIO, 2003. - In: Werkstoffwissenschaften und Bauinstandsetzen, Proceedings of the Sixth International Conference, Karlsruhe, September 16-18, 2003, (Wittmann, F.-H.; et al. (Ed.)), S. 613-622 [10] Raupach,- M.; Rankers,- R.; Wolff,- L.; Gargoudi,- M.- E.: Entwicklung eines Verfugmörtels für den Aachener Dom. Weimar: Bauhaus-Universität 2003. - In: 15. Internationale Baustofftagung, - 24.- 27. September 2003, Weimar, S. 1-1199-1-1211 [11] Raupach,- M.; Rankers,- R.; Wolff,- L.; Gargoudi,- M.- E.: Analysis of the Existing Mortars and Development of a New Mortar for the Historic Masonry of the Carls Cathedral in Aachen. Stockholm: ICOMOS, 2004. - In: 10th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Stockholm, June 27 - July 2, 2004, (Kwiatkowski, D.; et al (Ed.)), Vol. II, S. 1089-1096 [12] Rankers,-R.; Raupach,-M.: Die Sanierung des karolingischen Mauerwerks - Entwicklung und Anwendung eines Fugenmörtels. Worms: Werner, 2012. In: Die karolingische Pfalzkapelle in Aachen: Material - Bautechnik - Restaurierung, S. 263-270 [13] DIN-EN-9982: 2017-02 Festlegungen für Mörtel im Mauerwerksbau - Teil 2: Mauermörtel; Deutsche Fassung EN 998-2: 2016 [14] ASTM- C307-18. Standard Test Method for Tensile Strength of Chemical-Resistant Mortar, Grouts, and Monolithic Surfacings. ASTM International. West Conshohocken PA USA. 2018.